NAT CHEM BIOL∣工程酵母共利用葡萄糖和木糖，从木质纤维素中过量生产化学品
文献信息：
作者：Jiaoqi Gao, Wei Yu, Yunxia Li, Mingjie Jin, Lun Yao, Yongjin J. Zhou
接收时间：11 November 2022
https://doi.org/10.1038/s41589-023-01402-6
nature chemical biology 影响因子：12.9
背景介绍
生物精炼技术能够将木质纤维素转化为可持续的燃料和精细化学品，对于实现绿色能源和化学品的供应具有重要意义。然而，木质纤维素中木糖与葡萄糖的共利用效率不高，这限制了其转化效率。近期研究中，研究团队对工业酵母Ogataea polymorpha进行了基因工程改造，通过促进这两种糖的协同利用，提高木质纤维素的生物精炼效率，优化了从木质纤维素中生产游离脂肪酸（FFAs）和3-羟基丙酸（3-HP）的过程。
通过重构酵母的中心代谢途径，研究成功增强了乙酰辅酶A和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氢的供应，从而从葡萄糖中高效生产出30.0克/升的FFAs，其生产率达到了0.27克/升/小时。此外，通过加强木糖的摄取和分解代谢，实现了葡萄糖和木糖的同步利用，从葡萄糖-木糖混合物和木质纤维素水解液中分别获得了38.2克/升和7.0克/升的FFAs。最终，该高效细胞工厂在混合葡萄糖和木糖的补料批发酵中被转化为3-HP生产，达到了79.6克/升的最高产量。
这项研究不仅提高了木质纤维素的转化效率，还为生产高附加值化学品提供了新的生物制造平台，展现了生物精炼技术在可持续生产领域的巨大潜力。
图文解读
图1 | 将O. polymorpha工程化为从木质纤维素生物质生产FFAs和3-HP的细胞工厂
文字概述
图2 | 辅因子NADPH和前体乙酰辅酶A的增强供应促进了从葡萄糖中生产FFA
文字概述
图文注释
a，通过过表达FBP1和PCK1基因加强糖异生作用，增加了代谢通量至PPP，随后通过过表达的ZWF1基因促进了NADPH供应。破坏pex10基因修改了β-氧化和过氧化物酶体生物合成，增加了用于FFA生产的乙酰辅酶A供应。
b，在O. polymorpha菌株faa1Δ中积累的FFA。
c，过表达FBP1、PCK1和ZWF1基因对细胞生长和FFA生产的影响。
d，FBP1和ZWF1的联合过表达有助于FFA生产。
e，pex10Δ和过表达的FBP1-ZWF1对细胞生长和FFA生产的影响。
f，在氮饥饿条件下的FFA生产。
g，在氮饥饿条件下的细胞生长。菌株在正常（C/N=17.5）和氮饥饿（C/N=120）条件下培养。
h，在氮饥饿条件下进行FFA生产的补料批发酵。
数据表示为均值±标准误差（b-g中n=3个生物学独立样本；h中n=2个生物学独立样本）。
图3 | 加强木糖同化实现了木糖和葡萄糖的同步利用以生产FFA
文字概述
图文注释
a，为了促进木糖利用，引入了外源性XI蛋白PspXI*和LpXI*，并过表达了本地XYL3。为了实现木糖和葡萄糖的同步利用，引入了一个对木糖亲和力更高的己糖转运蛋白（HXT1*）。
b，对照菌株和过表达PspXI*和XYL3的HpFA50的细胞生长和木糖利用情况。
c，在FFA生产对照菌株HpFA10中，木糖同化被葡萄糖严重抑制。
d，FBP1和ZWF1的联合过表达有助于在72小时内提高木糖消耗率。
e，引入己糖转运蛋白（HXT1*）实现了菌株HpFA56中木糖和葡萄糖的同步利用。
f，进行FFA生产的补料批发酵，使用混合葡萄糖和木糖作为饲料。数据表示为均值±标准误差（n=3个生物学独立样本）。
图4 | 从木质纤维素水解液中生产FFA
文字概述
图文注释
a，在五倍稀释的木质纤维素水解液中发酵，基础培养基。
b，在五倍稀释的木质纤维素水解液中发酵，YP培养基。
c，在一倍稀释的木质纤维素水解液中发酵，基础培养基。
d，通过补加原始木质纤维素水解液进行补料分批发酵。
图5 | 将FFA细胞工厂代谢转化为3-HP过量生产
文字概述
图文注释
a，将FFA生产菌株代谢转化为3-HP过量生产的方案。在FFA生产菌株中添加FAA1基因，以获得表达MCR的3-HP生产平台菌株。
b，比较代谢转化菌株和表达MCR的野生型菌株从葡萄糖（20克/升）、木糖（10克/升）和葡萄糖与木糖混合物（20+10克/升）中细胞生长和3-HP生产的情况。
c，原位回收URA3略微促进了从葡萄糖和木糖混合物（20+10克/升）中的细胞生长和3-HP生产。
d，在生物反应器中从葡萄糖和木糖混合物进行3-HP过量生产菌株的补料批发酵。数据表示为均值±标准误差（b和c中n=3个生物学独立样本；d中n=2个生物学独立样本）。
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